In einer Zukunft, in der Roboter in die menschliche Alltagsgesellschaft integriert sind, erschafft ein brillanter, aber trauernder Wissenschaftler namens Dr. Tenma einen mächtigen Roboterjungen, um seinen verstorbenen Sohn Tobio zu ersetzen. Dieser Junge, der später als Astro bekannt wird, ist mit unglaublichen Fähigkeiten ausgestattet, darunter Raketenantriebe in Armen und Beinen, Superstärke und hochentwickelte Sinnesfähigkeiten. Dr. Tenma wird jedoch bald entmutigt, als der Roboter nicht wachsen oder seinen verlorenen Sohn wirklich ersetzen kann, und verlässt seine Schöpfung.

Die Geschichte variiert in den verschiedenen Anime-Produktionen, doch ein zentraler Handlungsbogen zeigt, wie der verlassene Roboterjunge in die Hände eines grausamen Zirkusbesitzers namens Hamegg fällt, der ihn zu Auftritten zwingt. Schließlich rettet der gutherzige Professor Ochanomizu, der Leiter des Wissenschaftsministeriums, Astro. Der Professor wird Astros gesetzlicher Vormund und Mentor und führt ihn an, während er lernt, seine Kräfte einzusetzen, um sowohl Menschen als auch Roboter vor verschiedenen Bedrohungen zu schützen, darunter Kriminelle, durchgedrehte Roboter und außerirdische Invasoren.

Die ursprüngliche Schwarz-Weiß-Serie von 1963, produziert von Mushi Productions, brachte diese Geschichte erstmals zum Leben und etablierte den zentralen Konflikt eines Roboters, der nach Akzeptanz sucht und in einer Welt, die ihn oft fürchtet, für Gerechtigkeit kämpft. Die Serie von 1980, eine Farb-Neuauflage, spielt im Jahr 2030 und hat einen düstereren Ton, konzentriert sich mehr auf Astros robotische Natur und führt einen wiederkehrenden Schurken namens Skunk ein, der die Baupläne für Astros Design stiehlt. In dieser Version wird Astro, nachdem er von Dr. Tenma verstoßen wurde, dazu gebracht, einen Vertrag mit Hameggs Robot Circus zu unterzeichnen, wo er in Astro Boy umbenannt wird und schließlich Professor Ochanomizu trifft.

Das Reboot von 2003 erzählt die Geschichte für eine neue Generation neu und spielt im Jahr 2043. Diese Serie serialisiert die Handlung stark und folgt Astro, während er sich an das Leben bei Professor Ochanomizu anpasst und von seinem ursprünglichen Schöpfer Dr. Tenma verfolgt wird. Ein großer Handlungsbogen dreht sich um einen wachsenden Konflikt zwischen einer Anti-Roboter-Bewegung unter der Führung eines Politikers namens Acetylene Lamp und einem Roboteraufstand, angeführt von einer Figur namens Blue Knight, die eine unabhängige Roboternation errichten will. In dieser Serie ist Astro mit dem Kokoro-Programm ausgestattet, einer einzigartigen künstlichen Intelligenz, die ihm echte menschliche Emotionen verleiht, was zentral für seinen Kampf wird, seine eigene Identität zu finden und Frieden zwischen Menschen und Maschinen zu stiften.